Глобальные биогенные круговороты

Биогенные круговороты. Кроме деятельности организмов на поверхность Земли воздействуют и другие процессы. Вследствие вулканической деятельности в атмосферу поступают заметные количества различных газов и частицы вулканического тепла. В результате тектонических процессов в зонах срединно-океанических разломов образуется новая, молодая кора, а у окраин материков океаническая кора погружается под материковые плиты. Эти и другие процессы влияют на климат, состав горных пород, обеспечивают существование ряда сообщества. Особое значение для биосферы и жизни человека имеет круговорот воды, осуществляющийся благодаря энергии солнечного излучения.

Однако в перемещениях и превращениях многих элементов на поверхности Земли основную роль играют живые организмы. Это элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, кислород, азот, фосфор, сера,— а также некоторые металлы (железо, кальций и др.). Элементы циркулируют в биосфере, проходя через тела живых организмов и вновь возвращаясь во внешнюю среду. Эти биогенные круговороты, или биогеохимические циклы, могут рассматриваться как в масштабе отдельного сообщества так и в глобальном масштабе, в пределах всей биосферы. Нередко разные этапы таких циклов протекают в различных сообществах. Биологические процессы (накопление веществ организмами, синтез и разложение органики, биологическое окисление и восстановление) в биогеохимических циклах тесно соседствуют с различными абиотическими процессами (химические реакции, идущие без участия живых организмов, атмосферная циркуляция, перенос веществ реками и океаническими течениями и т.п.). В качестве примеров биогеохимических циклов рассмотрим круговороты воды, углерода и азота.

Круговорот воды осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. Наличие круговорота основано на том, что с поверхности океанов испаряется больше воды, чем выпадает над океанами в виде осадков. «Лишняя» испарившаяся вода переносится в виде пара с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океаны с поверхностным речным стоком и через грунтовые воды.

Доступная для наземных организмов вода составляет ничтожную часть от ее общего количества — всего около 0,01%. Вода океанов могла бы покрыть весь земной шар слоем в 2700 м, вода рек и озер — в 0,4 м, вода атмосферного пара — в 3 см. Воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы, чтобы покрыть Землю слоем в 1 мм.

Незначительная часть воды, проходящей через тела растений, разлагается ими в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ. Значительно больше воды растения расходуют на транспирацию, т. е. поглощают из почвы и испаряют в атмосферу.

Расчеты показывают, что большая часть воды испаряется с поверхности суши растениями. Играя роль «испарителей», растения уменьшают поверхностный сток и тем самым препятствуют эрозии почвы. При вырубке леса сток воды увеличивается в несколько раз, что вызывает эрозию и снижение плодородия почвы. Кроме того, как уже отмечалось, лесная растительность может влиять на количество осадков в данной местности.

Хотя представление о тропических влажных лесах как о «легких планеты» неправильно, их роль в жизни биосферы трудно переоценить. В частности, эти леса играют роль гигантской «водяной губки»: задерживая и испаряя воду, они тем самым смягчают климат экваториальных районов материков. Сокращение площади экваториальных лесов может привести к изменениям климата и к катастрофическим засухам в прилегающих районах.

Глобальный круговорот воды имеет три основных потока: осадки, испарение и влагоперенос. Осадки (например, дождь или снег) в основном выпадают в океаны; вода возвращается в атмосферу при испарении. С суши в океан направлены поверхностный сток и поток грунтовых вод; водяной пар переносится атмосферными потоками с океана на сушу. (Цифры даны в тысячах кубических километров в год.)

Круговорот углерода. Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Двуокись углерода (СО₂), в форме которой углерод содержится в атмосфере, ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в органике, вновь переходит в атмосферу в виде СО₂. Эти два процесса практически полностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа, избегая из круговорота. Всего за 7—8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Гораздо большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО₂, угольной кислоты Н₂СОз и ее ионов). Этот углерод также доступен для использования живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так. и на образование скелетов, состоящих из углекислого кальция. За счет различных биологических и химических процессов между океанами и атмосферой происходит интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество углерода (3 млрд. т) ежегодно удаляется из круговорота, осаждаясь в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.

За счет отложений торфа и карбоната кальция из атмосферы ежегодно удаляется на 3—4 млрд. т больше углерода, чем поступает в нее.

В последнее время возросло поступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека. Ежегодно в атмосферу поступает около 5 млрд. т углерода при сжигании ископаемого топлива и 1—2 млрд. т — за счет сведения лесов. В результате ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т. Это может привести к серьезным последствиям для биосферы.

Краткосрочные изменения содержания СО₂ в атмосфере практически полностью определяются деятельностью живых организмов и зависят от потоков углерода между такими его фондами, как атмосфера, растворенный углерод океанов, живое и мертвое органическое вещество, ископаемое топливо (уголь, нефть и газ). Однако содержание углерода в этих фондах составляет лишь ничтожную часть от его общего количества на Земле.

Львиная доля углерода содержится в осадочных горных породах — сланцах (в виде ископаемых растительных остатков — керогена) и карбонатных породах (в виде углекислого кальция и углекислого магния). Циркуляция углерода между этими основными фондами и атмосферой зависит от геохимических процессов выветривания, метаморфизма горных пород и вулканической деятельности.

Итак, биологический цикл углерода — лишь часть более общего геохимического цикла. В основном от деятельности живых организмов и от хозяйственной деятельности человека зависят колебания уровня СО₂ в атмосфере, имеющие период от сотен до десятков тысяч лет. Более медленные, но не менее важные изменения, длящиеся миллионы лет, зависят от скорости выветривания горных пород и от тектонических процессов.

Круговорот азота. Этот круговорот во многом своеобразен. В атмосфере содержится огромный запас азота (азот составляет 80% массы атмосферы). Однако атмосферный азот в форме N₂ не может быть использован большинством живых организмов. В биотический круговорот азот атмосферы вовлекается в основном благодаря биологической фиксации, а в последнее время в результате промышленной фиксации — производства азотных удобрений человеком. В атмосферу азот возвращается вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов. Другие этапы круговорота также во многом зависят от деятельности бактерий, которые переводят азот из одних форм в другие. Важнейший из этапов — разложение трупов растений и животных, в результате которого восполняется фонд неорганических соединений азота, доступных для использования растениями.

Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн. т азота в год.